全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2013, 39(12): 2135−2144 http://zwxb.chinacrops.org/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn

本研究由国家自然科学基金项目(31271715)和国家转基因新品种生物培育科技重大专项(2013ZX08002-005)项目资助。
* 通讯作者(Corresponding author): 陈明, E-mail: chenming02@caas.cn, Tel: 13683360891
第一作者联系方式: E-mail: mdh2493@126.com, Tel: 13609123593 **同等贡献(Contributed equally to this work)
Received(收稿日期): 2013-05-13; Accepted(接受日期): 2013-07-26; Published online(网络出版日期): 2013-09-29.
URL: http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20130929.1536.004.html
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2013.02135
谷子 PP2C基因家族的特性
闵东红 1,** 薛飞洋 1,2,** 马亚男 1,2 陈 明 2,* 徐兆师 2 李连城 2 刁现民 2
贾冠清 2 马有志 2
1 西北农林科技大学农学院 / 旱区作物逆境生物学国家重点实验室, 陕西杨凌 712100; 2 中国农业科学院作物科学研究所 /农作物基
因资源与基因改良国家重大科学工程 / 农业部麦类生物学与作物遗传育种重点实验室, 北京 100081
摘 要: PP2Cs (2C type protein phosphatases)是一种单体丝氨酸/苏氨酸蛋白磷酸酶, 在真核生物中, PP2Cs在脱落酸
(ABA)、茉莉酸(JA)、水杨酸(SA)等激素信号传导途径中起着重要的调控作用。本研究通过序列比对, 从谷子基因组
中筛选出 80个 PP2C候选基因, 聚类分析将其分为 12个亚族(A、B、C、D、E1、E2、F1、F2、G、H、I、J)。与拟
南芥 PP2C基因家族比对表明, A~I为 2个物种共有的亚族, J亚族只存在于谷子基因组中, L亚族只存在于拟南芥中。
将谷子 A亚族的 10个成员命名为 SiPP2CA1-10。基因表达谱分析表明, A亚族基因不同程度受 ABA、干旱、高盐、
低温和低氮诱导表达, 其中, SiPP2CA6、SiPP2CA8在 5种处理下诱导表达量都高。对 10个 A亚族成员的启动子分
析发现, 在这些基因的启动子序列中含有多种参与逆境胁迫应答的顺式作用元件, 其中, SiPP2CA5、SiPP2CA6、
SiPP2CA7、SiPP2CA8的启动子中含有参与低氮胁迫响应的元件。进一步研究发现, SiPP2CA8主要在根部表达, 且在
低氮胁迫下一直有较高的表达水平。亚细胞定位结果显示 SiPP2CA8 定位在细胞膜、细胞质、细胞核中; 双分子荧
光互补试验(BiFC)结果表明, SiPP2CA8与一个 ABA受体类似蛋白 SiRCAR3 (基因号为 Si018317m.g)在细胞膜、细胞
质及细胞核上互作, 表明 SiPP2CA8在谷子中可能参与 ABA信号传导过程。
关键词: 谷子; PP2C基因家族; 非生物胁迫; 表达分析
Characteristics of PP2C Gene Family in Foxtail Millet (Setaria italica)
MIN Dong-Hong1,**, XUE Fei-Yang1,2,**, MA Ya-Nan1,2, CHEN Ming2,*, XU Zhao-Shi2, LI Lian-Cheng2,
DIAO Xian-Min2, JIA Guan-Qing2, and MA You-Zhi2
1 College of Agronomy, Northwest A&F University / State Key Laboratory of Arid Region Crop Adversity Biology, Yangling 712100, China; 2 Insti-
tute of Crop Science, Chinese Academy of Agricultural Sciences / National Key Facility for Crop Gene Resources and Genetic Improvement / Key
Laboratory of Biology and Genetic Improvement of Triticeae Crops, Ministry of Agriculture, Beijing 100081, China
Abstract: PP2Cs are a group of monomeric serine/threonine protein phosphatases, which play an important role in regulation of
hormone signaling pathways such as abscisic acid (ABA), jasmonic acid (JA) and salicylic acid (SA) in eukaryotes. In this study,
we identified 80 candidate PP2C genes from foxtail millet genome via sequence alignment, and cluster analysis showed that
PP2Cs in foxtail millet were divided into 12 subfamilies (subfamily A, B, C, D, E1, E2, F1, F2, G, H, I, and J). Foxtail millet and
Arabidopsis share A, B, C, D, E1, E2, F1, F2, G, H, and I, while subfamily J is only in foxtail millet and subfamily L is only in
Arabidopsis. Ten members of subfamily A in foxtail millet were named as SiPP2CA1–10, and gene expression profiles showed
that the expression of these genes was induced by ABA, drought, high salt, cold and low nitrogen stresses. Among them,
SiPP2CA6 and SiPP2CA8 showed high expression level in all treatments. Promoter analysis identified a variety of cis-acting ele-
ments involved in stress responses in promoter region of members in subfamily A, and a specific element responding to low ni-
trogen stress in SiPP2CA5, SiPP2CA6, SiPP2CA7, and SiPP2CA8. Further study demonstrated that SiPP2CA8 mainly expressed
in root, and its expression remained at high level under low nitrogen stress. Subcellular localization showed that SiPP2CA8 was
localized in cytomembrane, cytoplasm and nucleus. Bimolecular fluorescence complementation (BiFC) assay demonstrated that
SiPP2CA8 interacted with an ABA receptor like protein, SiRCAR3 (gene locus Si018317m.g), in cytomembrane, cytoplasm and
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nucleus. These results suggested that SiPP2CA8 may participate in ABA signaling pathway in foxtail millet.
Keywords: Foxtail millet; PP2C gene family; Abiotic stress; Expression analysis
蛋白磷酸酶和蛋白激酶介导的蛋白质可逆磷酸
化在植物逆境信号传递过程中发挥重要作用 [1]。
PP2C类蛋白是一种依赖Mg2+或Mn2+的单体丝氨酸/
苏氨酸蛋白磷酸酶[1-2]。与其他类型的蛋白磷酸酶相
比, 植物中 PP2C 类蛋白数量最为丰富, 在 PP2C 类
蛋白的 N-或 C-末端含有一个保守的催化结构域, 另
一端含有一个复杂多变的区域, 其结构的多样性表
明 PP2C 类蛋白在信号传导机制中具有不同的功能,
其表达模式及细胞定位特性也各不相同[3-5]。在真核
生物中 PP2C类蛋白参与 ABA、JA、SA等多种信号
传导途径[3,6-9]。在拟南芥中 ABI1、ABI2、AHG1、
AHG3/AtPP2CA、HAB1及 HAB2等 PP2C类蛋白属
于 A亚族, 对 ABA信号起负调控作用[10-14]。山毛榉
中 FsPP2C1、FsPP2C2对 ABA信号途径起正调控作
用, 在拟南芥中过表达 PP2C 基因可增强转基因植
株对非生物胁迫的抗性[15-16]。Liu等[17]在拟南芥中过
表达玉米基因 ZmPP2C 后发现, 转基因植株对干旱
和盐的耐受能力以及对 ABA的敏感性降低。Liu等
[18]报道了一个拟南芥基因 AtPP2CG1, 该基因编码
的蛋白属于 PP2C 家族的 G 亚族, 能够调控拟南芥
对盐胁迫的响应, 且其调控依赖于 ABA。Jia 等[19]
的研究表明, FaABI1对草莓的成熟起负调控作用。
系统研究 PP2C 基因家族在各种逆境胁迫下的
表达将有助于揭示植物逆境响应的分子机制。Xue
等[20]从拟南芥基因组中鉴定出 80 个 PP2C 候选基因,
并根据进化关系将其分为 13个亚族(A-J, 其中 E亚
族分为 Ea、Eb两个亚族, F亚族分为 F1、F2两个亚
族), 其中, A 亚族的 9 个成员中包含上述 6 个负调
ABA信号的蛋白, 另外 3个成员 HAI1、HAI2/AIP1、
HAI3 对胁迫的响应与该亚族其他 6 个成员不同[21];
B亚族调控 MAPK途径; C亚族与花器发育相关。对
水稻 PP2C家族表达模式的分析表明, A亚族成员能
够不同程度响应 ABA、高盐、低温等逆境胁迫[20]。
谷子(Setaria italica)耐逆性强、适应性广、基因
组小、遗传多样性丰富[22-23], 是克隆抗逆基因, 研究
植物抗逆分子机制的理想材料。2012年, 谷子基因
组序列公布[24-25], 加快了谷子功能基因组研究的步
伐。然而, 目前关于谷子抗逆基因的研究还较少, 特
别是关于抗逆相关的重要基因家族的研究少见报
道。本研究的系统进化树分析证明谷子的 PP2C 基
因家族同样被分为 12个亚族, 其中, A亚族包括 10
个成员。表达特性分析证明 A 亚族中 SiPP2CA6、
SiPP2CA8 在 5 种胁迫处理条件下诱导表达量都较高,
且 SiPP2CA8 在低氮胁迫下一直处于较高的表达水
平。谷子中 PP2C 基因家族的系统分析为克隆抗逆
基因, 研究谷子的抗逆分子机制创造了条件。
1 材料与方法
1.1 试验材料
谷子种子由中国农业科学院作物科学研究所刁
现民研究员课题组提供, 拟南芥 Col-0种子、GFP载
体、pSPYCE-35S 及 pSPYNE-35S 载体由本实验室
保存。在温室中培养谷子和拟南芥幼苗, 培养温度
为 22 , ℃ 湿度为 65%, 光照周期为 16 h/8 h。
1.2 试验设计
将谷子培养 10 d 后 , 取长势一致的植株 , 用
100 μmol L–1 ABA、20% PEG、150 mmol L–1 NaCl、
4℃低温、0.05 mmol L–1总氮处理(LN), 低氮表达谱
分析取样时间点为处理后 0、1、4、12、24和 48 h。
其他处理取样分别在处理后 0 h和 4 h, 样品用液氮
迅速冷冻保存于–80℃冰箱备用。
1.3 谷子 PP2C 候选基因的鉴定及基因结构、蛋
白序列分析
以 Pfam数据库中拟南芥和水稻的典型 PP2C结
构域为递交序列 , 在 Phytozome 数据库中进行
BlastP 比对, 搜索具有完整阅读框的谷子同源序列,
获得谷子所有的 PP2C基因。基因和蛋白序列来源
于 Phytozome 数据库。利用软件 MEGA5.1 采用相
邻法构建系统发育树 ; 用 fancyGENE、MEME
(Multiple Em for Motif Elicitation)在线工具分别进
行基因结构作图和蛋白序列分析; 以起始密码子上
游 1500 bp的序列为启动子序列, 用 PLACE在线软
件分析。
1.4 总 RNA的提取和 cDNA第一链的合成
用植物总 RNA 提取试剂盒(天根生化科技有限
公司)提取植株总RNA, 用 TaKaRa公司和 Invitrogen
的反转录试剂盒合成 cDNA第一链。
1.5 实时荧光定量 PCR分析
以谷子 SiACTIN (Si001873m.g)为内参基因, 检
测各基因在不同处理下的相对表达量。各基因的引
物序列见表 1。扩增循环参数为 94℃预变性 5 min;
94 15 s, 58 20 s, 72 31 s, 40℃ ℃ ℃ 个循环。
第 12期 闵东红等: 谷子 PP2C基因家族的特性 2137


表 1 谷子 PP2C基因实时荧光定量 PCR所用引物
Table 1 Primers of PP2C genes in foxtail millet used for Real-time PCR
基因名称
Gene name
基因座位号
Gene locus
上游引物
Forward primer sequence (5–3)
下游引物
Reverse primer sequence (5–3)
SiACTIN Si001873m.g F: GGCAAACAGGGAGAAGATGA R: GAGGTTGTCGGTAAGGTCACG
PP2CA1 Si001263m.g F: CCTCCTTGGATGGCTCTTC R: CACTGGACCTGCGACAACT
SiPP2CA2 Si001708m.g F: CCACCAAGCACCACTTCTTC R: CCTTCCACGCCGTCTCTT
SiPP2CA3 Si010073m.g F: TAGGAGACAGGATGCTGCG R: TGACGACGACGCTGATGT
SiPP2CA4 Si013648m.g F: CTGGAAGACGGGAACCCT R: GATGACGACGACGCTGAC
SiPP2CA5 Si022134m.g F: GGGAAGATGAGTATGCGAGGAT R: GGGACTGGGATTATATATGGCTT
SiPP2CA6 Si022243m.g F: GGGCAGAGTCATCAACTGGA R: GAACTCGTCCTGGTCCGTG
SiPP2CA7 Si022343m.g F: TGGCACAAGAACAATGGTG R: CTTCCGAGGTTTCAAGTCAAC
SiPP2CA8 Si024914m.g F: CCTGAAGCCGTTCGTGAC R: ACGCCATCTCGTTGCTGA
SiPP2CA9 Si030198m.g F: CCTCAAGCCGTACGTGTCG R: CACCACTTCTCCCTGCCC
SiPP2CA10 Si036015m.g F: GAGCTCGAACGGATCCAC R: GGAGATCACGAACGGCTTC

1.6 亚细胞定位和蛋白质互作分析
分别构建GFP-SiPP2CA8和GFP-SiRCAR3载体
进行亚细胞定位分析, 构建 pSPYCE-SiPP2CA8 和
pSPYNE-SiRCAR3载体进行蛋白质互作分析。以生
长 3 周的拟南芥叶片为材料制备原生质体, 原生质
体制备及转化过程参考 Yoo等[26]的方法。
2 结果与分析
2.1 谷子 PP2C基因家族的鉴定
通过序列比对和分析, 从谷子中筛选出 104个
具有完整阅读框的 PP2C 蛋白序列, 由 80 个基因编
码。对 80个谷子 PP2C蛋白的氨基酸序列进行聚类
分析, 参考前人研究结果命名各亚族[3,20] (图 1-A)。
谷子 PP2C 家族中的 74 个成员可被分为 12 个亚族
(A、B、C、D、E1、E2、F1、F2、G、H、I、J), 其中 C
和 D、E1和 E2、F1和 F2的 Bootstrap在 85%以上, 其
余 6个基因(Si000606m.g、Si001589m.g、Si020423m.g、
Si029313m.g、Si030278m.g和 Si025857m.g)为独立的分
枝。12 个亚族中共有 50 个基因形成 25 个同源基因对
(Bootstrap大于 85%), 其中 19对的 Bootstrap为 100%。
基因结构分析显示, 谷子 PP2C 基因的长度在
1.4~14.0 kb之间, 外显子数量在 1~20之间, 不同亚
族间有较大变化(图 1-C)。在亚族内部, 除 E2 亚族
外, 其他各亚族中多数成员外显子数目相近, G、I、
J 亚族各自成员的基因结构相似度更高, 分别含有
相同的外显子个数(外显子数目分别为 4、11和 9)。
25个同源基因对中, 有 15个同源基因对的外显子数
目相同, 长度相近, 基因结构的差异主要由内含子
和非翻译区长度的变化引起。
对谷子 PP2C蛋白结构的分析预测出 15个 motif
(表 2), 不同亚族中的 motif 组成有一定的差异(图
1-D)。其中 motif 4、6和 12在各蛋白序列中广泛分
布, 80%以上的蛋白都含有该序列, 而 motif 7、9、
10、11的分布则表现出一定的亚族特异性。motif 7
主要存在于 A和 H亚族, motif 9只存在于 C亚族和
D亚族, motif 11主要存在于 D亚族, 而 motif 10则
是H亚族的特异序列。在同一亚族的不同成员中, 其
主要的 motif相同, 部分亚族(如 D、G)的组成非常保
守, 除个别成员外, 蛋白的 motif组成完全相同。
2.2 谷子和拟南芥 PP2C基因进化关系
用 80个谷子的 PP2C蛋白和 80个拟南芥的 PP2C
蛋白序列构建的系统进化树(图 2)显示, A-I 亚族均
含有谷子和拟南芥的基因, 且每一亚族中谷子和拟
南芥的基因趋向于形成独立的分枝, 即谷子的基因
聚在一起, 拟南芥的基因聚在一起。J亚族只有谷子
基因, L亚族只含拟南芥基因, K亚族中有 3个拟南
芥基因, 而只有一个谷子基因 Si025857m.g, 在谷子
的基因分类中将其列为独立的分支。
2.3 谷子 A亚族 PP2C基因的特性分析
系统进化树分析表明, 谷子 A 亚族有 10 个成
员, 根据基因座位号将其命名为 SiPP2CA1~10, 各
基因基本信息如表 3所示。由表可知, A亚族各基因
的氨基酸数在 376~486之间, 分子量在 25.5~49.7 kD
之间, 等电点在 4.47~8.37 之间, 外显子个数为 1~5
个, 保守的 motif为 2、3、4、5、6和 8。进一步分
析发现, SiPP2CA1和 SiPP2CA5分别位于第 5和第 3
染色体, 在进化上处于同源分支, 其外显子个数相
同, 蛋白质的氨基酸数、分子量、等电点以及保守
域的位置和长度都相近, 同样, SiPP2CA2和SiPP2CA8
在染色体的分布、基因和蛋白结构上也相似。
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图 1 谷子 PP2C基因家族分析
Fig. 1 Analysis of PP2C gene family in foxtail millet
A: 谷子PP2C蛋白系统进化树; B: 谷子PP2C基因座位号; C: 谷子PP2C基因结构, 黑色方框、灰色细线、白色方框分别代表外显子、
内含子、非翻译区, 上方的比例尺总长为14 kb的基因长度, 每格代表1 kb; D: 谷子PP2C蛋白质结构。黑色圆球内数字对应表2中的保
守序列数, 黑色球之间的数字代表保守序列间的氨基酸残基数。
A: phylogenetic tree of PP2C proteins in foxtail millet; B: locus number of PP2C genes in foxtail millet; C: structure of PP2C genes in foxtail
millet. The black boxes, gray lines and white boxes represent exon, intron, and UTR, respectively, and ruler at the top represents 14 kb with
each scale of 1 kb gene length; D: structure of PP2C proteins in foxtail millet. Each black ball with a number corresponding with the number
of conservative sequences shown in Table 2, and number between the balls represents the number of amino acid residues between the two
motifs.

第 12期 闵东红等: 谷子 PP2C基因家族的特性 2139


表 2 谷子 PP2C蛋白氨基酸保守序列
Table 2 Conserved motifs of PP2C proteins in foxtail millet
保守序列
Conserved motif
长度
Length
氨基酸序列
Amino acid sequence
1 41 KQYLICEPEIQHHKLTPDDEFLILACDGLWDVMSNQEAVDI
2 21 FFGVYDGHGGPHAAEYCKEHL
3 21 TAVICGRHLYVANCGDSRAVL
4 15 WRVNGILQMSRAIGD
5 21 DHKPNRPDERQRIENCGGYVI
6 21 LTQEALRRHSHDNITCIVVFF
7 21 DEFLILASDGLWDVMSNEMAC
8 21 RYGYWSMCGWRHYMEDAYSCI
9 41 TGEILAMQLSREHNANYEEVRQELQAMHPDDPQIVVLKHNV
10 50 VGRLNIVGGAEIGPLRCWPGGLCLSRSIGDQDVGEFIVPVPHVKQVKLSN
11 39 QDGLLWYKDLGQHANGEFSMAVVQANNLLEDQCQVESGP
12 21 KKAIRKAYQKTDKEFLEKVSQ
13 21 QGWQLTVANVGDSRCILCTQG
14 29 VQNSPRNGIARRLVKAAMQEAAKKREMRY
15 15 EHDWIFCGIFDGHNP


图 2 谷子和拟南芥 PP2C基因家族进化关系
Fig. 2 Phylogenetic relationship of PP2C genes between foxtail millet and Arabidopsis

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表 3 谷子 A亚族 PP2C基因的基本信息
Table 3 Basic information of PP2C genes within subfamily A in foxtail millet
基因名称
Gene name
氨基酸数
Amino acid number
分子量
Molecular mass (kD)
等电点
pI
外显子数目
Exon number
染色体
Chromosome
PP2C保守域位置
PP2C domain location
SiPP2CA1 479 49.70 4.47 4 5 194–462
SiPP2CA2 401 25.50 6.20 4 5 88–334
SiPP2CA3 453 47.39 5.03 4 7 121–189, 265–409
SiPP2CA4 486 51.35 5.28 5 6 114–299, 340–454
SiPP2CA5 429 44.68 4.93 4 3 151–408
SiPP2CA6 399 41.28 8.37 3 3 92–376
SiPP2CA7 381 40.56 5.11 4 3 102–364
SiPP2CA8 436 45.43 7.54 4 3 87–384
SiPP2CA9 376 39.43 7.00 1 2 81–364
SiPP2CA10 397 42.34 5.86 3 9 72–314

对 10个谷子A亚族基因在不同处理下的表达分
析表明, 所有谷子A亚族基因都能够受ABA诱导表
达, 其中 SiPP2CA6、SiPP2CA7、SiPP2CA8 响应强
烈, 表达量在 25 倍以上, 最高的 SiPP2CA8 表达为
74.26 倍; 在 PEG 处理下, SiPP2CA2、SiPP2CA3、
SiPP2CA4、SiPP2CA6、SiPP2CA8、SiPP2CA10 相
对表达量在 2 倍以上; 在高盐胁迫下, 各基因都有
一定的响应, 其中, SiPP2CA6 表达量达到 22.73 倍,
远高于其他基因; 在低温胁迫下, 除 SiPP2CA2 外,
所有基因表达量都升高, 其中 SiPP2CA6 最高, 为
4.58 倍 ; 在低氮处理下 , SiPP2CA1、SiPP2CA5、
SiPP2CA6、SiPP2CA7、SiPP2CA8表达量都在 2倍以
上, 其中, SiPP2CA8表达量最高, 达 24.63倍(图 3)。
如表 4 所示, 谷子 A 亚族基因启动子中包含
ABRE、MYB、MYC、WRKY等多种顺式作用元件,
90%的成员启动子中含有DRE或 LTRE元件, 说明A
亚族基因对多种逆境胁迫响应可能与这些顺式作用
元件相关。此外, 在 4个基因 SiPP2CA5、SiPP2CA6、
SiPP2CA7、SiPP2CA8的启动子中还各有一个 VD序
列 [GGCCCCGGG], 该序列最早发现于衣藻基因
NIA1的启动子中, 参与铵盐的响应[27], 则这 4个基因
对低氮胁迫的响应可能与该元件相关。
2.4 SiPP2CA8 低氮胁迫下在不同组织中的表达
分析
实时定量 PCR结果表明, 在低氮处理条件下(总
氮浓度为 0.05 mmol L–1) SiPP2CA8的表达量在 1 h明
显增加, 在 12 h达到最高, 在 12 h以后下降(图 4)。
组织特异性表达分析发现, SiPP2CA8在根、茎、叶
中都表达 , 但表达量有明显差异 , 其中 , 在根中表
达量最高 , 在茎和叶中的表达量相近且都比较低
(图 5)。
2.5 SiPP2CA8 及 SiRCAR3 亚细胞定位及互作
分析
SiPP2CA8与拟南芥 HAI类 PP2C蛋白进化关系
较近(图 2), 已有研究证明 HAI2/AIP1 能够与 ABA
受体 RCAR3/PYL8 (At5G53160)互作[28-29]。本研究
通过序列比对发现谷子中 Si018317m.g 的蛋白序列
与 RACR3/PYL8 同源性最高, 并将 Si018317m.g 命
名为 SiRCAR3。亚细胞定位分析表明 SiPP2CA8 和
SiRCAR3在细胞膜、细胞质和细胞核上都有定位(图
6-A)。BiFC 结果显示 SiPP2CA8 能够和 SiRCAR3
在细胞膜、细胞质、细胞核上互作(图 6-B)。
3 讨论
2C型蛋白磷酸酶(PP2C)是植物最大的蛋白磷酸
酶家族, 现已在拟南芥和水稻基因组分别鉴定出 80
和 78 个成员, 进化树分析分别将其归为 13 个和 11
个亚族, 基因组进化过程中发生的基因组和染色体
片段的重复是导致该家族成员众多的主要因素[20]。
本研究在谷子基因组中鉴定出 80个 PP2C类候选基
因, 聚类分析将其分为 12 个亚族。谷子 PP2C基因
的数量与拟南芥和水稻的相近, 进化树分析表明大
部分亚族都同时含有谷子和拟南芥的基因, 同一亚
族中谷子和拟南芥成员数目相近, 且 2 个物种的成
员趋向于分开聚类, 这一结果说明 PP2C 基因家族
起源于单、双子叶植物分化之前。分析还发现, J 亚
族的基因只存在于谷子基因组中, L 亚族的基因只存
在于拟南芥中, 这可能是由于两个物种在分化后形
成了新的成员, 表现出一定的物种特异性。与拟南芥
基因结构和蛋白序列相比, 谷子 PP2C 不同亚族间
第 12期 闵东红等: 谷子 PP2C基因家族的特性 2141



图 3 不同处理条件下谷子 A亚族 PP2C基因表达分析
Fig. 3 Expression analysis of PP2C genes within subfamily A in foxtail millet under different stress conditions
表 4 谷子 A亚族 PP2C基因启动子中 ABRE、DRE、LTRE、MYB、MYC、WRKY和 VD等顺式作用元件分布
Table 4 Distribution of ABRE, DRE, LTRE, MYB, MYC, WRKY, and VD cis-acting elements in promoters of subfamily A PP2C genes in foxtail millet
基因 Gene ABRE DRE LTRE MYB MYC WRKY VD
SiPP2CA1 9 2 3 7 9 5 0
SiPP2CA2 13 3 3 10 11 6 0
SiPP2CA3 9 0 0 6 8 2 0
SiPP2CA4 3 4 6 9 6 11 0
SiPP2CA5 8 1 4 7 8 10 1
SiPP2CA6 9 1 3 10 4 6 1
SiPP2CA7 6 1 1 10 6 8 1
SiPP2CA8 6 2 5 12 7 7 1
SiPP2CA9 11 4 8 7 8 9 0
SiPP2CA10 9 2 3 10 6 5 0
ABRE、DRE、LTRE、VD 分别代表响应 ABA、干旱、低温和铵盐的元件, MYB、MYC 和 WRKY 分别代表与相应的 MYB、
MYC和 WRKY类转录因子结合的元件。
ABRE, DRE, LTRE, and VD represent ABA, drought, low temperature, and ammonium responsive elements respectively, MYB, MYC,
and WRKY represent elements binding to corresponding transcription factor.

2142 作 物 学 报 第 39卷



图 4 低氮胁迫下 SiPP2CA8的表达分析
Fig. 4 Expression analysis of SiPP2CA8 under low nitrogen
stress

图 5 谷子不同器官中 SiPP2CA8的表达分析
Fig. 5 Expression analysis of SiPP2CA8 in different organs of
foxtail millet


图 6 SiPP2CA8和 SiRCAR3亚细胞定位及互作分析
Fig. 6 Subcellular localization and protein interaction between SiPP2CA8 and SiRCAR3
A: subcellular localization of SiPP2CA8 and SiRCAR3; B: protein interaction between SiPP2CA8 and SiRCAR3.

的基因长度、外显子数目和保守氨基酸序列变化较
大, 这可能与谷子遗传变异大、驯化程度低、具有
较强的环境适应性相关。
Zhang等[25]的研究表明, 在谷子染色体中的第 2
和第 9、第 4 和第 1、第 7 和第 1、第 6 和第 2、第
5 和第 3 之间发生过复制事件。本研究发现, 谷子
PP2C 中, 有 12 对同源基因对的成员分布在这些染
色体上, 具体为 1对(Si029911m.g和 Si035800m.g)、
4 对(Si007044m.g 和 Si017687m.g、Si006835m.g 和
Si017565m.g、Si006767m.g 和 Si017649m.g、Si006
734m.g和 Si017582m.g)、3对(Si010098m.g和 Si017
198m.g、Si009847m.g和 Si016901m.g、Si010320m.g
和 Si017437m.g)和 4 对 (Si001263m.g 和 Si0221
34m.g、Si001708m.g 和 Si024914m.g、Si001936m.g
第 12期 闵东红等: 谷子 PP2C基因家族的特性 2143


和 Si021863m.g、Si001741m.g和 Si022279m.g)同源
基因分别位于第 2和第 9、第 4和第 1、第 7和第 1、
第 5和第 3染色体, 且同源基因的结构和蛋白保守序
列相近, 这可能与谷子在进化中发生的染色体的复
制相关。同时发现, 在这 12个同源基因对中, 有 9对
同源基因的蛋白 motif 组成有差异。如 A 亚族中
SiPP2CA2和 SiPP2CA8为同源基因, 其蛋白结构的差
异主要为SiPP2CA2含有motif 3, 而SiPP2CA8在相应
位置为 motif 13, 且分析发现二者在不同胁迫处理下
表达谱明显不同, 这些变化可能与染色体复制后的一
部分基因发生了新功能的分化或亚功能化有关[25]。
在本研究中, 所有谷子 A 亚族的 PP2C 基因都
能响应 ABA处理, 部分成员受干旱、高盐、低温诱
导, 表明这些基因在谷子响应非生物胁迫的过程中
发挥重要作用。这一现象与水稻及拟南芥的 PP2C
类基因家族的表达特性类似[20]。本研究还发现 5 个
A 亚族的基因(SiPP2CA1、SiPP2CA5、SiPP2CA6、
SiPP2CA7 和 SiPP2CA8)对氮营养胁迫有响应, 其中
SiPP2CA8主要在根部表达, 且在低氮胁迫下表达强
烈 , 处理 48 h 后仍维持较高的表达水平 , 表明
SiPP2CA8可能在低氮应答中起重要作用。
进化树分析发现 SiPP2CA8 与拟南芥 HAI 类
PP2C 蛋白同源关系较近。已有研究表明, HAI 类
PP2C蛋白参与 ABA信号的传导途径, 对 ABA及干
旱胁迫都存在响应 [21]。序列比对表明 SiRCAR3
(Si018317m.g)可能是谷子中的ABA受体, 亚细胞定
位及互作试验表明 SiPP2CA8 和 SiRCAR3 在细胞
膜、细胞质和细胞核上都有定位, 二者能够在细胞
膜、细胞质和细胞核互作, 表明 SiPP2CA8可能在谷
子中与 ABA 受体(SiRCAR3)互作从而参与 ABA 信
号传导过程。
4 结论
从谷子基因组中鉴定出 80个 PP2C 候选基因,
这些候选基因被分为 12个亚族。A亚族成员能够不
同程度响应 ABA、干旱、高盐、低温和低氮处理, 其
中, SiPP2CA8 主要在根中表达, 对 5 种处理都有较
强响应。SiPP2CA8 能够与谷子 ABA 受体类似蛋白
SiRCAR3 互作, 表明该基因可能参与谷子中 ABA
信号传导途径。
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